Магнитные наночастицы: проблемы и достижения химического синтеза
Страница 13

Простым кипячением раствора кристаллогидрата хлорида железа (III) (FeCl3*6H2O) в 2-пирролидоне в течении 1, 10 и 24-х часов в атмосфере азота оказалось возможным получить водорастворимые 4-х и 12-ти нанометровые сферические и 60-ти нанометровые кубической формы частицы магнетита [69], механизм образования которых заключается во взаимосвязанных процессах декарбонилирования пирролидона-2 и восстановительного гидролиза хлорида железа до Fe3O4.

2. МИЦЕЛЛЫ

В начале прошлого десятиления появились первые статьи посвященные использованию обратных мицелл как микро- и нанореакторов для осуществления в них химических реакций, и в частности, приготовлению высокодисперсных частиц [21, 105]. Обратные мицеллы возникают в результате самоорганизации бифункциональных молекул, классических ПАВ, содержащих в своем составе ионогенную гидрофильную (-СOONa) и гидрофобную (углеводородный фрагмент, например алкильный радикал) группы. При интенсивном перемешивании с небольшим количеством воды и избытком неполярного растворителя (гексан, толуол) происходит самоорганизация молекул ПАВ в сферические образования, полярными хвостами внутрь, вокруг микро- или нанокапелек воды. В зависимости от соотношения вода/растворитель можно изменять размеры мицелл в диапазоне от 4 до 18 нм [106]. Наиболее используемыми веществами мицелло-образователями являются: содержащие одну углеводородную цепь – натриевая соль додецилсульфоновой кислоты (SDS), цетилтриметиламмоний бромид (CTAB) или хлорид (CTAC), содержащие две углеводородные цепи – (бис-2-этилгексил)сульфосукцинат натрия (Na(AOT)). В типичном эксперименте [104] по получению магнитных наночастиц в обратных мицеллах, смесь водорастворимой соли металла с ПАВ добавляют в систему H2O/углеводород, оставляют при интенсивном перемешивании до образования прозрачного или слегка опалесцирующего раствора и по каплям, медленно добавляют либо восстановитель (для получения металлсодержащих наночастиц) либо гидроксид натрия или аммония (оксиды и ферриты). После окончания реакции, полученные наночастицы обычно переводят в углеводородный растворитель добавлением жирных кислот (олеиновая, лауриновая). В [73] после добавления водного раствора боргидрида натрия в систему Na(AOT)/ацетат кобальта/вода/изооктан (соотношение [H2O]/[AOT]=32 по массе) были получены наночастицы металлического ГЦК-кобальта с размером 7.5 нм (распределение по размерам составило 9.4%). При нанесении коллоидного раствора этих наночастиц кобальта на подложку высокоориентированного пиролитического графита было обнаружено, что после испарения растворителя наночастицы самоорганизуются в трехмерные коллоидные «кристаллы» с упорядоченным распределением наночастиц внутри них [74]. Интерес к подобным мезоскопическим структурам, собранным из наночастиц, обусловлен тем, что согласно теоретическим предпосылкам [57] при упорядочении магнитных частиц ожидается прирост в значениях коэрцитивной силы и намагниченности из-за усиления диполь-дипольного взаимодействия. Детальное изучение структуры таких «кристаллов» из наночастиц кобальта показало, что они также обладают ГЦК структурой и при среднем диаметре наночастиц 7.5±0.4 нм расстояние между наночастицами составляет 3.0±0.5 нм (по данным ПЭМ и РФА), но после термообработки при 350 оС в атмосфере азота в течении 15 минут структура наночастиц трансформируется в ГПУ, средний размер уменьшается до 7.0±0.4 нм, а расстояние между частицами до 2.2±0.5 нм [72], при том, что порядок расположения наночастиц в «кристалле» не нарушается. Для сравнения, макроскопический ГЦК-кобальт при комнатной температуре метастабилен, а температура фазового перехода ГПУ структуры в ГЦК составляет 430 оС [7]. После сопоставления магнитных свойств наночастиц в упорядоченном состоянии в виде коллоидных «кристаллов» с разупорядоченным состоянием было установлено [99], что температура блокировки (TB) в обоих случая составляет порядка 100 K, что объясняется наличием сильных дипольных взаимодействий между частицами, а после термообработки при 350 оС – 280 К, это в первую очередь обусловлено изменением кристаллической структуры наночастиц. Значение коэрцитивной силы (Hc) для наночастиц в «кристалле» составило 900±50 Э, в то время как для неупорядоченных 600±50 Э, а после термообработки в идентичных условиях - 900±50 Э для упорядоченных и 800±50 для неупорядоченных. Таким образом действительно наблюдается предсказываемый рост коэрцитивной силы при упорядочении наночастиц. Анализ серии работ, [73, 102, 103, 115] посвященных получению магнитных наночастиц кобальта в обратных мицеллах позволяет проследить процесс развития нанотехнологии в этой сравнительно узкой области: как от первых работ по синтезу исследователи постепенно перешли к использованию полученных наночастиц в самосборке на наноуровне – новом принципе получения инновационных наноматериалов.

Другие статьи из раздела

МООК: революция в мире образования

Взрыв популярности массовых открытых онлайн-курсов, МООК (massive open online course), произошедший в течение минувшего года, породил разговоры о том, что в мире образования началась революция, и он вскоре полностью преобразится.


Графеновый бум: итоги

После вручения нобелевской премии по физике в 2010 г. за «передовые опыты с двумерными материалом - графеном» К. Новоселову и А. Гейму многие ученые говорили про наступление новой эры электроники, однако в последней статье К. Новоселова «A roadmap for graphene», представлены значительно более консервативные прогнозы.


Поверхностная модификация полимеров

Вышла из печати книга доктора технических наук, профессора Назарова Виктора Геннадьевича «Поверхностная модификация полимеров» (рецензенты - академик Берлин А.А. и профессор Чалых А.Е.). В монографии, объемом 474 стр., системно излагаются разнообразные методы поверхностной модификации полимерных материалов, в том числе эластомеров.